单片机系统的软硬件开发

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单片机应用系统的软硬件开发
单片机应用系统的软硬件开发
林卫星 宁波大学信息科学与工程学院自动化系（ !"#$""）
$%&’()*’ L78; :E:CD 8; MNJM9OPCP CQ:CD8CJMC 8J B7C PC;8RJ EJP DCE98,EB8NJ NS E::98MET9C ;U;BCV W8B7 E %&’ SDNV ;NSBWEDC EJP 7EDPWEDC 8JBN DC98ET898BUX@J C;:CM8E99U :DNT9CV; EDC EJE9U,CP B7EB EDC ;98R7BCP CE;89U TU E PC;8RJY CDX@B 8; ;NVC ZE9OET9C DCSCDCJMC; 8J NDPCD BN PC;8RJ EJ E::98MET9C ;U;BCV W8B7 E ;8JR9C[M78: V8MDNMNV:OBCDX +,-./(0&\%&’， PC;8RJ NS ;NSBWEDC EJP 7EDPWEDC， V8QCP 9EJROERC :DNRDEVV8JR ， DC98ET898BU
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单片机应用系统的软硬件开发
条 !"# 指令， 可保护其后的指令不被拆散。若某指令 前插入两条 !"# 指令，则这条指令就不会被前面冲 下来的失控程序拆散， 并将被完整执行， 从而使程序走 上正轨。 但不能加入太多的冗余指令， 以免明显降低程 序正常运行的效率。 因此， 常在一些对程序流向起决定 作用的指令之前插入两条 !"# 指令，以保证跳飞的 程序迅速纳入正确的控制轨道。此类指令有： $%&、
(%&’)，新型的 %&’ 的优势表现在时钟频率的进一 步提高 ( 从 *%+, 提高到 -.%+,) ， 指令执行速度的提 高 ( 从 "$ 个机器周期到 * 个机器周期， 甚至到 " 个机 器周期 )， 处理器相关功能的提高 ( 如增加了数学处理、
《 工业控制计算机》 !""! 年 #$ 卷第 % 期
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种将 & 语言和汇编语言混合编程的办法， 可充分发挥 各自语言的优点， 取长补短， 开发出高质量的单片机应 用程序。这一多种语言的混合编程思想在开发出高质 量的应用程序中非常有用， 笔者的课题组用 & 语言和 汇编语言混合编程实现大型烘箱温度控制与检测系统
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、 一阶滞后滤波等。 这是最正规的单 $）最好选用总线不外引的单片机，
摘 要 本文结合作者多年的实际开发单片机应用系统的体会， 从硬件开发、 软件编程、 可靠性设计以及开发手段等方面做 了归纳式叙述， 尤其是普通开发者容易忽视的地方做了较细致的分析， 这对单片机应用系统的 开 发 者 无 疑 具 有 一 定 价 值 的参考作用。 关键词： 单片机， 硬件设计， 软件编程， 可靠性
在开发过程中，建议使用高、中档单片机仿真工 具， 因为它具有如下特点：
!因支持高级语言的调试，提供全数据类型的查
看和修改。
"支持多家软件公司汇编和编译产生的目标代码
格式。
#中高档仿真器的人机界面有四个档次： 4"+ 下
的简单命令行和批处理文件； 4"+ 下的窗口命令行；
$%&’、 ()*((、 +,-#、 ,.、 ),!% 等 。 在 某 些 对 系 统 工
的性能价格比。 （ $）扩展接口的开发方式 扩 展 接 口 的 开 发 尽 可 能 采 用 6?4、 >6A2 ( 或 这类器件都有开发平台的支持 开 &654)等器件开发。 发难度较小， 开发出的硬件性能可靠、 结构紧凑、 利于 修改、 保密性好。这种方法也是硬件接口开发的趋势。 如 29BCDE 公司生产的 F6%G"$<? 应用较广， 在中国市 场也容易买到。把单片机外围电路中的许多功能模块 也为扩展接 组合在一起， 形成典型的、 通用 的 接 口 H"I， 口快速的低成本开发提供了简洁而适用的方法。
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硬件设计开发 硬件设计是单片机应用开发的基础，软件的编程
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程序设计与编程
是建立在硬件开发的基础之上，软硬件设计的巧妙结 合是项目开发质量保证的关键。在单片机硬件开发设 计中应注意以下几个方面： （ "）选用最新的 %&’ 单片机应用开发者必须学习应用最新单片机
& 语言既有高级语言的各种特点，又可对硬件进
作状态至关重要的指令 / 如 +%&0 %* 之类 1 前也可插 人两条 !"# 指令， 以保证被正确执行。 当跳飞的程序落到非程序的数据表格区时， 且跳飞 的程序在没有碰到冗余指令之前， 已经自动形成一个死 循环， 这时采取的措施是看门狗系统 /2*&)3 4"51。 所谓软件陷阱， 就是一条引导指令， 强行将捕获的程序 引向对程序出错进行处理的程序。 如果把这段程序的入 口标号取为 %$$ 的话， 软件陷阱即为一条 (,-# %$$ 指令， 为加强其捕捉效果， 一般还在它前面加两条 !"# 指令， 因此， 真正的软件陷阱由三条指令构成：
行操作， 并可进行结构化程序设计。 目前已有专为单片 机 设 计 的 & 语 言 编 译 器 ， 如 >DEJK98J &#"、 1F@5 但和汇编语言相比， &#"。 & 语言程序反汇编生成的汇 编代码往往比较长。 有占存储空间大、 执行程序时间长 的弱点。 单独用汇编语言编程虽然编制的程序较短， 又 有开发周期长、 可读性差、 修改麻烦等缺点。较好的解 决办法为程序的框架和主体用 & 语言编写， 要求高速 执行的部分或大量重复使用的常用汇编语言编程， 这
2 3 4 和 4 3 2 转换器的内部集成， 5&4 显 示 等 功 能 模 块的内部集成，外部扩展功能的增强。如 67898:; 的 6<=&<<- 单片机内部有 *-1 字节 >52?+ (快闪存储 器)、 ! 个计数器、 !!%+, 时钟、 * 个机器周期执行一条 $ 指令、 从而使开发的系统有更高 @ & 总线、 @?6 3 @26 等，
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引言 单片机的应用开发不单是软件的开发，它与开发
模糊控制等 ) ， 内部程序存储器和数据存储器容量的进 一步扩大 (/0% 扩到 *-1 字节， /2% 扩到 $1 字节 )，
语言和硬件密切相关。所以要求开发者对单片机的内 部结构十分熟悉，了解单片机的开发应用涉及到硬件 扩展接口和各类传感器、 执行器等， 还必须尽可能地了 解各学科中适应单片机完成的控制项目以及控制过 程。从而针对任务才能提出切实可行的由单片机来完 成的要求和功能。 才可能编写出好的软件， 并将它用于 实际系统中。 掌握单片机的应用开发需要一个过程。首先必须 掌握数字电路和模拟电路方面的知识，还必须学习单 片机原理、 硬件结构、 扩展接口和编程语言。初次开发 时因没有经验， 可能要经过多次反复才能完成项目。 这 时， 就会得到较大的收获和积累， 它表现在硬件设计方 面的积累； 软件编程方面的积累； 设计与调试经验方面 的积累。
0"$(*!4 风 格 的 4"+ 窗 口 菜 单 ； -=>?@A@BC 风 格 的 2=DE@FA G 2’!HI 窗口菜单。
集成开发平台具有编辑—— —汇编 G 编译—— —连接 G 定位—— —调试—— —装入目标系统一条龙。用全屏幕编 辑， 就地修改， 所见即所得， 有文件整块剪贴技术； 用工 程 /#?@JK>C1 技术： 一次将工程的全部源文件、 头文 件 、 作废库文件送入工程管理器， 统一管理汇编 G 编译和连 接 G 定位。用 -LMK 技术： 自动辨别汇编器 G 编译器， 每 次调试循环仅做增量汇编 G 编译和连接 G 定位。 当有的文件被破坏，使用 0N=OE 技术跳出 -LMK 循环， 重新全面地进行汇编 G 编译和连接 G 定位。 有错误 和警告自动定位， 明确的错误自动修正， 扩展的运行类 型（ 如放开运行， 动画式运行， 遇光标终止、 出函数前终 止、 出函数后终止） ， 扩展的单步类型（ 如指令单步、 语 句单步、 函数单步） ， 扩展的断点类型（ 如指令断点、 语 句断点、 循环断点、 内容断点、 条件断点） 等。
片机使用模式， 它符合小型、 简单、 可靠、 廉价的单片机设 计原则， 显然单片机总线对外封闭的产品是最为可靠的。
;）&89 抗干扰措施
当通过干扰三总线等干扰作用到单片机本身时， 单片机将不能按正常状态执行程序， 就会引起混乱。 如 何发现单片机受到干扰，如何拦截失去控制的程序流 向？如何使系统的损失减小？如何恢复系统的正常运 行？ 这些都是 &89 抗干扰需要解决的问题。 可采用了 以下几种方法。 其一是人工复位： 对于失控的 &89， 最简单的 方 法是使其复位， 程序自动从 """"< 开始执行。为此只 要在单片机的 =>?>@ 端加上一个高电平信号，并持 续四个时钟周期以上即可’:(。 其二是掉电保护：电网瞬间断电或电压突然下降 将使微机系统陷入混乱状态， 电网电压恢复正常后， 微 机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就 是掉电保护。 掉电信号由硬件电路检测到， 加到单片机 的外部中断输入端。往往将掉电中断规定为最高级中 断，使系统及时对掉电做出反应。在掉电中断子程序 中，首先进行现场保护，保存当时重要的状态参数到 当电源恢复正常时， 恢 >>8=AB 中 ’$(， &89 重新复位， 复现场， 继续未完成的工作。 其三是：睡眠抗干扰， &BA? 型的 $# 系列单片机 具有睡眠状态，此时只有定时 C 计数器和中断系统处于 工作状态。这时 &89 对系统三总线上出现的干扰不会 做出任何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。 通过分析一般的应用软件后发现， &89 在很多情况下 是在执行一些等待指令和循环检查程序，这时 &89 虽 没有重要工作， 但却是清醒的， 很容易受干扰。让 &89 在没有正常工作时休眠，必要时再由中断系统来唤醒 它， 之后又处于休眠。采用这种安排之后， 大多数 &89 可以有 $"D%$E的时间用于睡眠，从而使 &89 受到随 机干扰的威胁大大降低， 同时降低了 &89 的功耗。 其四是： 指令冗余， 当 &89 受 到 干 扰 后 ， 往往将 一些操作数当作指令码来执行， 引起程序混乱。 这时首 先要尽快地执行真正的指令系列。B&?F$# 系统中所 有指令都不超过 5 个字节，而且有很多单字节指令。 当程序跳飞到某一条单字节指令上时，便自动执行真 正的指令。 当跳飞到某一双字节或三字书指令上时， 有 可能落到其操作数上， 从而继续出错。因此， 应多采用 单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节 空操作指令（ ， 或将有效单字书指令重复书写， GA8） 这便是指令冗余。在双字节和三字节指令之后插入两